ES2263389B1 - Estructura de subalabes para reduccion del peso de las palas en turbinas eolicas. - Google Patents

Abstract

Estructura de subalabes para reducción del peso de las palas en turbinas eólicas. Innovación que permite reducir el peso de las palas en turbinas eólicas de eje horizontal consistente en la separación de la pala en alabes de menor sección (subalabes). Estos subalabes tienen uniones espaciadas a cierta distancia a lo largo de su longitud formando una estructura con un incremento substancial de la relación de los momentos de inercia respecto al peso. La separación y el perfil aerodinámico específico que puede tener cada subalabe permiten un diseño aerodinámico de la pala con más grados de libertad. Estas estructuras son particularmente apropiadas para turbinas eólicas de gran tamaño.

Description

Estructura de subálabes para reducción del peso de las palas en turbinas eólicas.

Objeto de la invención

La presente memoria describe una patente de invención relativa a las palas de las turbinas eólicas de eje horizontal para reducir su peso e incrementar su rendimiento.

Campo de la invención

El campo principal es la generación de energía eléctrica mediante turbinas eólicas, particularmente cuando estas son de gran tamaño.

Antecedentes de la invención

Hemos asistido en las últimas décadas a un desarrollo espectacular de la energía eólica. De un año al siguiente, del modelo precedente al nuevo, la potencia unitaria de los aerogeneradores se incrementa. Mayor potencia conlleva un aumento del diámetro del rotor. Un diámetro mayor significa mayor longitud de las palas. Este aumento de la longitud se traduce en un aumento de las cargas y, sobre todo, de los pares flectores en las raíces de las palas. A pesar de los indudables avances en el diseño estructural y en los materiales, las palas incrementan su volumen y peso de forma exponencial en relación a su longitud. Esto hace que sea el componente con mayor incidencia en el coste de los aerogeneradores de gran tamaño.

Descripción de la invención

Dado un momento flector M, los esfuerzos por unidad de superficie, o fatiga, (\sigma) que el material de la sección de una estructura soporta puede ser determinados mediante la siguiente expresión:

[1]\sigma = M*y_{n}/I_{n}

donde y_{n} es la distancia a la línea neutra de la sección de la estructura que soporta el esfuerzo e In es el momento de inercia respecto a esa misma línea neutra. Se puede observar que la fatiga depende inversamente del momento de inercia. Es decir, para un determinado momento flector, la fatiga será menor cuanto mayor sea el momento de inercia. Por otro lado, si aumenta el momento flector, necesariamente debemos aumentar el momento de inercia si deseamos que no crezca la fatiga del material.

Se incrementa el momento de inercia de las palas de las turbinas incrementando su sección transversal. Esto es particularmente importante, por ejemplo, en la raíz de la pala donde el diámetro externo crece exclusivamente debido a este efecto. El momento de inercia es la integral del diferencial de superficie dA multiplicado por su distancia (al cuadrado) y_{n} respecto a la línea neutra tal como se expresa en la siguiente ecuación:

[2]I_{n} = \int y_{n}{}^{2}*dA

Un aumento del diámetro de la raíz, o de la sección del perfil, conlleva un aumento del momento de inercia tanto por el aumento de la superficie como por el aumento de las distancias a la línea neutra. Bajo esta estrategia, la posición relativa de la línea neutra no se ve afectada y sigue pasando por el centro de gravedad de la sección.

Podemos, sin embargo, aumentar el momento inercia sin que la superficie y la forma cambien, desplazando la línea neutra. En este sentido, el nuevo momento de inercia I_{nd} viene dado por la expresión:

[3]I_{nd} = I_{n} + A*d^{2}

siendo A el área de la sección y d la distancia que separa las líneas neutras de I_{n} e I_{nd} en el supuesto de que estas líneas sean paralelas. Debemos hacer notar que las distancias a la línea neutra y_{n}, las cuales se ven afectadas en este desplazamiento, figuran también en el numerador de la ecuación [1] pero su aumento queda compensado por el incremento cuadrático del momento de inercia en el denominador. Así, esta estrategia tiene la ventaja que consigue aumentar el momento de inercia sin incrementar, en principio, el peso del material a utilizar. Esto se traduce en la posibilidad de construir estructuras más ligeras.

La invención propuesta se basa en la utilización de este principio. El desplazamiento de la línea neutra se consigue dividiendo la pala en subálabes y separándolos espacialmente tal como se aprecia en Fig. 1. En dicha figura la pala está subdividida en tres subálabes (P1, P2, P3) separados una cierta distancia. Cuanto mayor es esa distancia de separación, mayor es el momento de inercia. Sin embargo, para que esto sea así, los subálabes deben estar rígidamente unidos. Se requiere unas uniones (U) situadas a lo largo del eje principal de la estructura. Las uniones aumentan su tamaño, y su complejidad estructural al incrementarse la distancia de separación entre los subálabes. Por tanto, existe una distancia de separación óptima, en cuanto a minimizar el peso de la estructura, que depende del número de subálabes, su distribución espacial, su perfil, su longitud, el número de uniones, así como, de los materiales a emplear.

Además, el momento flector no es único. Hay varios momentos flectores y torsores respecto a distintos ejes. También hay que considerar en el diseño de la estructura los esfuerzos cortantes y los esfuerzos de tracción y compresión que se superponen a los momentos. Finalmente, tanto estos esfuerzos como los momentos están inducidos por cargas fundamentalmente variables en el tiempo (cargas dinámicas). Tomando todos estos factores en consideración y con los mismos parámetros de diseño y de materiales, la solución propuesta disminuye en más de un 40% el peso de las palas en las modernas turbinas eólicas de gran tamaño.

Otro aspecto clave a considerar es el comportamiento aerodinámico de la estructura con subálabes. En primer lugar, se estima que las uniones introducen ciertas perturbaciones en el flujo de aire. Afortunadamente, estas son de carácter local y no tienen una incidencia apreciable en el coeficiente de sustentación global de la pala C_{L}. En segundo lugar se considera la especificidad de cada subálabe. En la Fig. 1 se han dibujado iguales pero estos subálabes suelen tener distintas dimensiones y perfiles. Así, unos subálabes pueden tener perfiles con función principal dictada por resistencia de materiales (p. e. circulares) y otros con función principal aerodinámica. Pueden ser continuos o formados acoplando varios segmentos. Además, unos subálabes pueden estar enfocados a conseguir el máximo coeficiente de sustentación C_{L} a velocidades de viento bajas mientras otros a velocidades de viento medias. Finalmente, el conjunto de subálabes forman una estructura global donde cada elemento se ve influenciado por el resto. Así, por ejemplo, la separación de los subálabes juega un papel significativo en todos los coeficientes aerodinámicos de la pala. Todo ello hace incrementar los grados de libertad en el diseño aerodinámico lo cual se podría traducir en una mejora substancial del rendimiento aerodinámico de las turbinas eólicas.

Otra de las consecuencias ventajosas de aumentar el momento de inercia respecto a la masa es la relativa al comportamiento frente a vibraciones. La amplitud de las deformaciones y, por tanto, la fatiga que sufren los materiales derivada de estas vibraciones se reduce significativamente en la nueva estructura.

Descripción de los dibujos

Para complementar la descripción y con objeto de ayudar a comprender mejor las características de la invención, se acompaña a la presente memoria como parte integrante de la misma, una hoja de planos en la cual, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

Fig. 1 muestra un ejemplo de sección de la estructura propuesta (pala) con tres subálabes (P1, P2, P3) y la unión (U2) entre ellos;

Fig. 2 muestra un ejemplo de estructura completa con sus tres zonas (Z1, Z2, Z3). La zona de terminación representada (Z3) es de tipo abierto. La figura tiene solo carácter ilustrativo y los elementos están dibujados sin guardar sus escalas.

Realizaciones preferentes de la invención

Las estructuras suelen estar formadas, aunque no siempre, por más de dos subálabes para soportar mejor cargas y momentos en diferentes ejes y direcciones. En la Fig. 1 se ha representado la sección de un ejemplo de estructura con tres subálabes con igual perfil y dimensión. Lo normal es que los subálabes sean de diferente tamaño y perfil. Puede incluso existir el caso de que algunos de ellos tengan funciones de soporte estructural y por ello sean con secciones más apropiadas para esa función, tales como. secciones circulares, elipsoides u otras. Aún en estos casos, dado que influyen en el medio fluido, un factor siempre importante a considerar son sus coeficientes aerodinámicos.

La estructura completa se compone de tres zonas, tal como se representa en la Fig. 2. La primera zona, Z1 es la de expansión. En esta zona la estructura pasa de las dimensiones más reducidas y circulares de la raíz a una sección formada por los subálabes y con distancias de separación suficientemente grandes. La zona central Z2 es la de mayor longitud y es donde la estructura tiene su sección característica. Finalmente, Z3 es la zona de terminación. Esta zona puede ser de dos tipos: cerrada y abierta. En la cerrada los subálabes terminan uniéndose en el extremo exterior. En la terminación abierta que se haya representada en la Fig. 2, los subálabes tienen extremos individuales con igual o diferente longitud. Las distancias de separación entre ellos pueden reducirse, mantenerse o aumentar, siguiendo criterios de optimización aerodinámica. Es importante considerar para la correcta interpretación de la Fig. 2 que los subálabes P1, P2 y P3 no están en un mismo plano.

Esta estructura de subálabes es particularmente apropiada para ser usada en el sistema de control DBB descrito en la patente ES2216731. Bajo dicho sistema, los álabes son divididos en segmentos y estos segmentos pueden solaparse dinámicamente. Si el sistema se basa en utilizar una estructura de subálabes, entonces algunos de los subálabes pueden tener función de soporte y/o guiado en el desplazamiento de los segmentos móviles. Estos segmentos móviles pueden ser segmentos de álabe, o bien, segmentos de subálabe.

Por otro lado, la estructura también modifica los métodos actuales de fabricación y transporte de palas dado que permite ser formadas ensamblando las diferentes partes constituyentes: zona 1 de la raíz, subálabes y uniones.

Finalmente se debe mencionar, al igual que en las palas convencionales, la estructura completa puede tener un ángulo de alabeo a lo largo de su longitud. Es más, en esta propuesta cada subálabe en particular, puede tener su propio ángulo de alabeo, lo que abre nuevas posibilidades de diseño aerodinámico.

Los términos en que se ha descrito esta memoria deberán ser tomados siempre con carácter amplio y no limitativo. Los materiales, forma y disposición de los elementos serán susceptibles de variación, siempre y cuando ello no suponga una alteración de la esencialidad del invento.

Claims (3)

1. Estructura de subálabes para reducción del peso de las palas en turbinas eólicas de eje horizontal caracterizada por tener dos o más subálabes espacialmente separados y tener un número de uniones a lo largo de su longitud y tener una zona de expansión que comienza a partir de la raíz y donde se abre la estructura y se separan los subálabes.

2. Estructura de subálabes para reducción del peso de las palas en turbinas eólicas según la reivindicación 1, caracterizada por tener un número de subálabes que sirven de soporte o de guiado o de soporte y guiado de un número de segmentos de álabe o de segmentos de subálabe que pueden desplazarse a lo largo de ellos.

3. Estructura de subálabes para reducción del peso de las palas en turbinas eólicas según la reivindicación 1, caracterizada por tener la separación entre un número de subálabes que varía a lo largo de su longitud.